Este artículo presenta un modelo analítico para el diseño óptimo de un sistema de transporte, basado en una red de autobuses metropolitanos que conecta la ciudad con una malla reticulada Park and Ride (P&R). El modelo desarrollado en este trabajo introduce el concepto de redes acopladas, para definir la interrelación entre dos servicios de transporte, el de acceso a la ciudad con buses metropolitanos desde estaciones P&R y los servicios de transporte público locales que distribuyen los viajes dentro de la ciudad. Se formula un problema de optimización del coste total del sistema de transporte acoplado, cuya función objetivo integra los costes temporales de los viajes de los usuarios, así como los costes de infraestructura y operación del servicio asumidos por la agencia de transporte. Las variables de decisión que definen el diseño óptimo de la red son el intervalo de operación y el espaciado entre las líneas de la red externa e interna, así como el número de anillos de los aparcamientos externos, que condiciona la interacción entre las dos redes (acceso y local). Además, las idealizaciones geométricas empleadas se han ajustado para mejorar su versatilidad y adaptabilidad a diversas ciudades con diferentes limitaciones geográficas (por ejemplo, mar, montañas, etc.). El modelo se ha aplicado con datos a tamaño real del Área Metropolitana de Barcelona (España), y propone la construcción de 7 líneas de autobuses externas horizontales que conecten 42 P&R con la ciudad, con un intervalo de paso de los autobuses de 4.25 min en hora punta, y un total de 6 paradas por línea dentro de la ciudad.